JP5625244B2 - 二次電池の容量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の容量推定装置に関するものである。

二次電池の制御装置として、所定の電池モデル式中のパラメータ（内部抵抗、時定数）を、適応デジタルフィルタを用いて推定し、推定したパラメータと、二次電池の電流および端子電圧の計測値とから、二次電池の開路電圧を推定し、予め実験等によって求めた開路電圧−充電率の関係と推定した開路電圧とを用いて二次電池の充電率を推定する制御装置が知られている（特許文献１参照）。

特許第３７１４２４６号公報

しかしながら、上記従来技術においては、適応デジタルフィルタにより演算を行う際における、開路電圧の推定精度は、二次電池に供給される電流の波形に依存するため、供給される電流がほぼ一定である場合や、所定の周波数で電流が供給される場合には、二次電池の総容量（満充電時の容量）を適切に推定することができないという課題があった。

本発明が解決しようとする課題は、二次電池の総容量を適切に推定することができる二次電池の容量推定装置を提供することである。

本発明は、充電電流に所定パターンの検出用電流を重畳させ、検出用電流を重畳させた際における二次電池の電流および端子電圧の計測値から、適応デジタルフィルタを用いて、二次電池の開路電圧および充電率を推定し、これに基づき、二次電池の総容量推定を行うものであり、この際において、充電電流に重畳させる検出用電流の振幅を、充電開始時における二次電池の充電率、二次電池の温度、および二次電池について推定された総容量の前回値から選択される少なくとも１つに基づいて設定することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、充電電流に所定パターンの検出用電流を重畳させた際における二次電池の電流および端子電圧から、適応デジタルフィルタを用いて、二次電池の開路電圧および充電率の推定を行い、これに基づき、二次電池の総容量を推定するため、二次電池の総容量の推定精度の向上が可能となる。

図１は、本実施形態に係る二次電池の制御システムの構成を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る電子制御ユニット３０の機能ブロック図である。 図３は、二次電池の電池モデルを示す等価回路モデルを示す図である。 図４は、二次電池の開路電圧−充電率特性の一例を示す図である。 図５は、二次電池の充電方法の一例を示すタイムチャートである。 図６は、二次電池の充電方法の他の例を示すタイムチャートである。 図７は、充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を重畳した場合における電流の変化を示すプロファイルおよび適応デジタルフィルタ演算の同定誤差の変化を示すプロファイルの一例を示す図である。 図８は、第１実施形態における総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の算出処理方法を示すフローチャートである。 図９は、充電率算出処理方法を示すフローチャートである。 図１０は、第１実施形態における充電率ＳＯＣの推定のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、第２実施形態に係る電子制御ユニット３０の機能ブロック図である。 図１２は、第２実施形態における総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の算出処理方法を示すフローチャートである。 図１３は、第２実施形態における充電率ＳＯＣの推定およびパラメータｄの推定のシミュレーション結果を示す図である。

《第１実施形態》
まず、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る二次電池の制御システムの構成を示す図である。図１に示す制御システムは、たとえば、プラグインＨＥＶや電気自動車などの電動車両を、充電設備２０に接続し、電動車両に備えられた二次電池１０に充電を行う際に、充電中の二次電池１０に対して、本発明に係る容量推定装置を適用した例である。

本実施形態に係る二次電池の制御システムは、図１に示すように、電動車両に搭載された二次電池１０と充電設備２０とを接続することにより、充電設備２０により二次電池１０に対して充電を行うとともに、充電設備２０に備えられた電子制御ユニット３０により、二次電池１０の総容量（満充電時の容量）を推定するものである。

二次電池１０は、複数の単位電池を直列に接続してなるものであり、二次電池１０を構成する単位電池としては、たとえば、リチウムイオン二次電池などのリチウム系二次電池などが挙げられる。また、図示していないが、二次電池１０近傍には、二次電池１０の温度を測定するための温度センサが備えられている。そして、この温度センサにより測定された電池温度は、充電設備２０の電子制御ユニット３０に送出されるようになっている。

充電設備２０は、電子制御ユニット３０、電源４０、電流計５０および電圧計６０を備える。電源４０は、電子制御ユニット３０からの指令に基づいて、充電電流を出力し、二次電池１０への充電電流の供給を行う。電流計５０は、二次電池１０に流れる充放電電流を検出するセンサであり、電流計５０により検出された信号は、電子制御ユニット３０へ送出される。また、電圧計６０は、二次電池１０の端子電圧を検出するセンサであり、電圧計６０により検出された信号は、電子制御ユニット３０へ送出される。

電子制御ユニット３０は、充電設備２０を制御する制御ユニットであり、プログラムを演算するＣＰＵ、プログラムや演算結果を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭから構成されるマイクロコンピュータと電子回路等で構成される。図２に、電子制御ユニット３０の機能ブロック図を示す。図２に示すように、電子制御ユニット３０は、電源４０から二次電池１０へ供給する充電電流を制御する充電電流制御部３１０と、電流計５０および電圧計６０から信号に基づいて、二次電池１０の総容量を推定する総容量推定部３２０と、を備える。

充電電流制御部３１０は、図２に示すように、電源４０から二次電池１０へ供給する充電電流の電流値である基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）を設定する充電電流設定部３１１と、電源４０から二次電池１０へ供給する充電電流に、所定の電流パターンからなる検出用電流を重畳させるための検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を送出する検出用電流重畳部３１２と、を備える。そして、充電電流設定部３１１により設定された基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）が、電源４０に送出されることにより、基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づき、電源４０は所定の充電電流を二次電池１０に供給する。また、検出用電流重畳部３１２により、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）が送出された場合には、電源４０から、二次電池１０に供給される充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に応じた検出用電流が重畳され、これが二次電池１０に供給されることとなる。

総容量推定部３２０は、図２に示すように、電流計５０からの信号に基づき、充放電電流Ｉを検出する電流検出部３２１と、電圧計６０からの信号に基づき、端子電圧Ｖを検出する電圧検出部３２２と、電流検出部３２１により検出された電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧検出部３２２により検出された電圧計測値Ｖ（ｋ）から適応デジタルフィルタにより、二次電池１０の充電率を推定し、充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を算出する適応デジタルフィルタ演算部３２３と、電流検出部３２１により検出された電流計測値Ｉ（ｋ）の積算を行い、電流積算値ＤＱ（ｋ）を算出する電流積算部３２４と、充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）および電流積算値ＤＱ（ｋ）から二次電池１０の総容量を推定し、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出する総容量演算部３２５と、を備える。なお、ＳＯＣ＾（ｋ）、Ｃａｐ＾（ｋ）における右肩に付した「＾」は、各値が推定値であることを示す。また、図２中では、推定値である「＾」を、ＳＯＣ（ｋ）の「Ｓ」、Ｃａｐ（ｋ）の「Ｃ」の真上に示しているが、下記式（１）に示すように、これらはＳＯＣ＾（ｋ）、Ｃａｐ＾（ｋ）と同義である。以下、θ＾（ｋ）、Ｖ_０＾（ｔ）、Ｃａｐ＾、ＳＯＣ＾_Ａ、ＳＯＣ＾_Ｂ、ｄ＾も同様である。

このような本実施形態に係る電子制御ユニット３０では、充電電流設定部３１１により設定された基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づいて、電源４０から二次電池１０に充電電流を供給し、これにより二次電池１０の充電を行う際に、検出用電流重畳部３１２により、所定のタイミングで、電源４０から二次電池１０へ供給する充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に基づく所定のパターンの検出用電流を重畳する。そして、適応デジタルフィルタ演算部３２３により、充電電流に検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に基づく検出用電流が重畳されたときにおける、電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧計測値Ｖ（ｋ）から、適応デジタルフィルタにより、二次電池１０の充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を算出する。そして、総容量演算部３２５により、算出された充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）と、電流積算部３２４により積算された電流積算値ＤＱ（ｋ）とから、二次電池１０の総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出することにより、二次電池１０の総容量を推定するものである。

ここで、総容量演算部３２５による、二次電池１０の総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の推定方法について、説明する。まず、二次電池１０の充電率ＳＯＣは、二次電池１０の総容量Ｃａｐに対する、現在の充電電気量の比であるため、二次電池１０の充電率ＳＯＣは、下記式（２）で表すことができる。なお、下記式において、Ｑ_０は、二次電池１０に予め充電されていた初期電気量である。

また、上記式（２）を総容量Ｃａｐについて整理すると、下記式（３）となる。

なお、上記式（３）において、ΔＳＯＣは、二次電池の充放電による充電率ＳＯＣの変化量であり、そのため、ΔＳＯＣは、所定時における充電率ＳＯＣ_１と、充電率ＳＯＣ_１の状態からさらに充放電を行った後の充電率ＳＯＣ_２との差分と等しくなる。

そして、本実施形態では、上記式（３）における分子、すなわち、電流積算値を電流積算部３２４により演算し、上記式（３）における分母、すなわち、各充電率ＳＯＣ_２、ＳＯＣ_１を適応デジタルフィルタ演算部３２３により演算し、これらの結果を用いることにより、二次電池１０の総容量を求めることができる。

次に、適応デジタルフィルタ演算部３２３により、二次電池１０の充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を算出する方法について、説明する。まず、本実施形態で用いる「電池モデル」について、説明する。図３は、二次電池１０の電池モデルを示す等価回路モデルであり、図３に示す等価回路モデルは、下記式（４）で表される。

ここで、モデル入力は電流Ｉ［Ａ］（正値は充電、負値は放電）、モデル出力は端子電圧Ｖ［Ｖ］であり、Ｒ_１〔Ω］は電荷移動抵抗、Ｒ_２［Ω］は純抵抗、Ｃ_１［Ｆ］は電気二重層容量、Ｖ_０［Ｖ］は開路電圧である。また、上記式中、ｓは微分オペレータである。なお、本実施形態に係る電池モデルは、正極、負極を特に分離していないリダクションモデル（一次）であるが、実際の電池の充放電特性を比較的正確に示すことが可能である。このように本実施形態においては、電池モデルの次数を１次にした構成を例として説明する。

ここで、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１を下記式（５）のように表すと、上記式（４）は、下記式（６）で表されることとなる。

次いで、上記式（６）に示される電池モデルから、適応デジタルフィルタを用いた電池パラメータ（Ｋ，Ｔ_１，Ｔ_２）の推定方法について、説明する。開路電圧Ｖ_０（ｔ）は、電流Ｉ（ｔ）に可変なパラメータｄを乗じたものをある初期状態から積分したものと考えれば、開路電圧Ｖ_０（ｔ）は、下記式（７）で表すことができる。

そして、上記式（６）に、上記式（７）を代入すると、下記式（８）となり、これを整理すると下記式（９）となる。

さらに、上記式（９）の両辺に安定なローパスフィルタ１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）を乗じて、整理すると下記式（１０）となる。

なお、本実施形態においては、ローパスフィルタ１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）として、下記式（１１）ものを用いたが、下記式（１１）に示すものに限定はされない。下記式（１１）において、τはフィルタの時定数である。

ここで、電流検出部３２１で計測した電流計測値Ｉ（ｔ）、および電圧検出部３２２で検出した電圧計測値Ｖ（ｔ）に、ローパスフィルタを施した値を下記式（１２）で定義する。

上記式（１０）を上記式（１２）で書き直し、これをＶ_２（ｔ）について整理すると、下記式（１３）となる。

そして、上記式（１３）は、計測可能な値（Ｉ_１(ｔ）、Ｉ_２(ｔ）、Ｉ_３(ｔ）、Ｖ_２(ｔ）、Ｖ_３(ｔ））と未知パラメータ（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｋ，ｄ）との積和式になっているため、適応デジタルフィルタの標準形である下記式（１４）と一致する。

ただし、上記式（１４）中、ｙ＝Ｖ_２(ｔ）、 ω^Ｔ＝［Ｖ_３(ｔ），Ｉ_３(ｔ），Ｉ_２(ｔ），Ｉ_１(ｔ）］、θ＝［−Ｔ_１，Ｋ・Ｔ_２，Ｋ，ｄ］ である。

したがって、電流検出部３２１で検出した電流計測値Ｉ（ｔ）、および電圧検出部３２２で検出した電圧計測値Ｖ（ｔ）にフィルタ処理した信号を、適応デジタルフィルタ演算に用いることで、電池内部状態を表す内部抵抗Ｋ、時定数Ｔ_１およびＴ_２、パラメータｄから構成される未知パラメータベクトルθを一括推定することができる。

本実施形態では、単純な「最小二乗法による適応デジタルフィルタ」の論理的な欠点（一度推定値が収束すると、その後パラメータが変化しても再度正確な推定ができないこと）を改善した「両限トレースゲイン方式」を用いる。すなわち、上記式（１４）を前提にすると、適応デジタルフィルタにより未知パラメータベクトルθを推定するためのアルゴリズムは、下記式（１５）となる。ここで、ｋ時点の電池パラメータ推定値をθ＾（ｋ）とする。

上記式（１５）において、trace｛Ｑ(ｋ）｝は行列Ｑ(ｋ）のトレース（対角要素の和）を意味する。また、λ_１、λ_３、γ_Ｕ、γ_Ｌは設計パラメータであり、０＜λ_１＜１、０＜λ_３＜∞とする。λ_３は適応デジタルフィルタの推定速度を設定する定数（調整ゲイン）であり、値を大きくすることにより推定速度は速くなるが、その反面ノイズの影響を受けやすくなる。γ_Ｕおよびγ_Ｌはそれぞれ行列Ｑ(ｋ）のトレースの上下限を規定するパラメータであり、０＜γ_Ｌ＜γ_Ｕとなるように設定する。また、Ｐ(０）は十分大きな値を初期値とし、θ＾（０）は非ゼロな十分小さな値を初期値とする。このようにして、適応デジタルフィルタ演算部３２３により、適応デジタルフィルタを用いた電池パラメータ（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｋ，ｄ）の推定が行われる。

そして、適応デジタルフィルタ演算部３２３は、次のようにして、推定した電池パラメータから、二次電池１０の開路電圧Ｖ_０を算出する。まず、上記式（６）を開路電圧Ｖ_０について整理すると、下記式（１６）となる。

開路電圧Ｖ_０（ｔ）の変化は比較的に穏やかであるため、上記式（１６）の両辺に安定なローパスフィルタ１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）を乗じ、１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）を乗じて得られた値を開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｔ）として、下記式（１７）によって推定する。

そして、上記式（１７）に、上記式（１２）を代入すると、下記式（１８）となる。

よって、上記式（１８）に、適応デジタルフィルタを用いて推定した電池パラメータ推定値（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｋ）とローパスフィルタの出力（Ｉ_１(ｋ）、Ｉ_２(ｋ）、Ｖ_１(ｋ）、Ｖ_２(ｋ））を代入することで開路電圧の推定を行うことでき、これにより開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｔ）を求めることができる。

そして、得られた開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｔ）を用いて、適応デジタルフィルタ演算部３２３により予め取得した二次電池１０の開路電圧−充電率特性に基づいて、二次電池１０の充電率を推定することができ、これにより充電率推定値ＳＯＣ＾（ｔ）を得ることができる。なお、二次電池１０の開路電圧−充電率特性の一例を図４に示す。本実施形態では、二次電池１０の開路電圧−充電率特性は、電子制御ユニット３０に備えられたＲＡＭに予め記憶されており、二次電池１０について、予め実験などにより、開路電圧と充電率との関係を求めることにより得ることができる。

次に、充電電流制御部３１０による、電源４０から二次電池１０へ供給する充電電流の設定方法について、説明する。

充電電流設定部３１１は、二次電池１０を充電するために予め定められた充電電流値である基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）を設定する。なお、基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）は、二次電池１０を充電するための電流を設定するための値であり、通常、略一定の値が設定される。このような基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）の設定方法としては、一般的に用いられている方法を採用すればよく、二次電池１０の充電率および二次電池１０の仕様などに応じて設定すればよいが、たとえば、図５に示すように、二次電池１０の充電率が比較的に低い領域においては、定電流充電を行い、その後、二次電池１０の端子電圧が目標電圧に到達した後においては、定電圧充電に移行するＣＣ−ＣＶ充電方式や、図６に示すように、二次電池１０の充電率が比較的に低い領域においては、定電力充電を行い、その後、定電流充電に移行し、段階的に充電電流をゼロに近づけていく多段定電流充電を行う方法などが挙げられる。また、これらを組み合わせたものであってもよい。なお、図５、図６は、二次電池１０の充電方法の一例を示すタイムチャートであり、図５、図６においては、時間Ｔ_１において二次電池１０の充電を開始し、その後時間Ｔ_２において充電制御方法を変更し、時間Ｔ_３において二次電池１０の充電を終了している。

一方、検出用電流重畳部３１２は、所定のタイミングで、所定の検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を、所定時間送出し、基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づく充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）基づく検出用電流を重畳する。具体的には、検出用電流重畳部３１２により検出用電流パターンＤＩ（ｋ）が送出されると、電源４０から、二次電池１０に供給される充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に応じた検出用電流が重畳され、これが二次電池１０に供給されることとなる。本実施形態において、検出用電流重畳部３１２により検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を送出するタイミングとしては、特に限定されないが、充電開始時（たとえば、図５、図６において、時間Ｔ_１）、および充電開始時から所定時間経過後、具体的には、充電率が十分上昇した時（たとえば、図５、図６において、時間Ｔ_２からＴ_３の間の任意の時間）などとすることができる。

そして、本実施形態においては、適応デジタルフィルタ演算部３２３による適応デジタルフィルタ演算は、基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づく充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に基づく検出用電流が重畳されたときに行われる。具体的には、基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づく充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に基づく検出用電流が重畳されたときにおける、電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧計測値Ｖ（ｋ）に基づいて、適応デジタルフィルタ演算部３２３により上述した適応デジタル演算が行われ、これにより、二次電池１０の充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）の算出が行われる。したがって、検出用電流重畳部３１２は、適応デジタルフィルタ演算部３２３により適応デジタルフィルタ演算を行う際に用いられる検出用電流を二次電池１０に供給するための検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を送出するものである。なお、検出用電流重畳部３１２は、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を送出した際には、適応デジタルフィルタ演算部３２３に適応デジタルフィルタ演算を行わせるための指令の送出も行う。

検出用電流重畳部３１２により送出される検出用電流パターンＤＩ（ｋ）としては所定の電流パターンであればよく特に限定されないが、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を供給することにより、図２に示す電流検出部３２１および電圧検出部３２２により検出される二次電池１０の電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧計測値Ｖ（ｋ）が、適応デジタルフィルタ演算部３２３による適応デジタルフィルタ演算に適したものとなるように設定すればよい。具体的には、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）としては、適応デジタルフィルタ演算における推定精度の向上効果が高いという点より、異なる周波数を有する複数の交流電流を重ね合わせてなるものであることが好ましく、たとえば、このような交流電流としては、Ｍ系列信号に基づく交流電流などが挙げられる。また、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）の振幅としては、特に限定されず、電流検出部３２１により検出された電流計測値Ｉ（ｋ）、二次電池１０の温度、または、総容量演算部３２５により前回推定した総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）から選択されるいずれか一つ、またはこれらの組み合わせに基づいて設定すればよい。

図７に、充電電流に、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）に基づく検出用電流を重畳した場合の一例を示す。図７においては、時間Ｔ_４〜時間Ｔ_６にわたって、検出用電流としてのＭ系列信号に基づく交流電流を、充電電流に重畳させた場合における電流パターン、および検出用電流を重畳した場合における、適応デジタルフィルタ演算部３２３による適応デジタルフィルタ演算における同定誤差の推移を示す。

なお、図７に示すように、充電電流への検出用電流の重畳する時間としては、適応デジタルフィルタ演算部３２３による適応デジタルフィルタ演算による演算結果と、二次電池１０の実際の内部状態との差である同定誤差が、収束したと判断されたとき（図７に示す時間Ｔ_５）から所定の時間経過後（図７に示す時間Ｔ_６）までとする。検出用電流の重畳時間をこのように設定することにより、検出用電流の重畳時間を不必要に長くすることなく、適応デジタルフィルタ演算部３２３による開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）の推定精度、および総容量演算部３２５による総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の推定精度を向上させることができる。

次いで、本実施形態における、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の算出処理を、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図８に示す処理は一定周期毎（本実施形態では、１００ｍｓｅｃ毎）に実施される。以下の説明においては、Ｉ(ｋ）は今回の実行周期の電流値（今回の計測値）、Ｉ(ｋ−１）は１回前の実行周期での電流値（前回の計測値）とし、電流以外の値に関しても同様に表記する。また、本実施形態では、図８に示す処理は、二次電池１０を搭載した車両が充電設備２０に接続され、充電電流設定部３１１により設定された基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づいて、電源４０から二次電池１０への充電電流の供給が開始されることにより開始され、以下に説明する処理は、電子制御ユニット３０により行われる。

まず、ステップＳ１では、充電開始時における、充電電流を供給する前の二次電池１０の充電率を推定する。二次電池１０の充電率の推定方法としては、たとえば、二次電池１０を搭載した車両を充電設備２０に接続した時点における二次電池１０の開路電圧を計測し、計測した開路電圧から、予め取得した二次電池１０の開路電圧−充電率特性に基づいて算出する方法などが挙げられる。または、電子制御ユニット３０により、直前の充電率推定値が得られている場合には、それを利用してもよい。

ステップＳ２では、前回処理時に推定した総容量推定値Ｃａｐ＾を読み出す。なお、総容量推定値Ｃａｐ＾は、たとえば、電子制御ユニット３０に備えられたＲＡＭに記憶させておき、これを読み出すことにより取得することができる。

ステップＳ３では、二次電池１０近傍に設けられた温度センサ（不図示）により計測された二次電池１０の温度を検出する。

ステップＳ４では、充電率推定処理を行う。図９に、本実施形態における充電率推定処理のフローチャートを示す。

まず、図９に示すステップＳ４１においては、検出用電流重畳部３１２により、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の振幅を設定する。なお、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の振幅は、ステップＳ１〜Ｓ３において取得した充電開始時における二次電池１０の充電率、前回処理時の総容量推定値Ｃａｐ＾、および二次電池１０の温度に基づいて設定される。たとえば、充電開始時における二次電池１０の充電率が高い場合には、充電率が低い場合と比較して、同じ電流振幅に対する端子電圧の変化が大きくなることが予想される。そのため、検出用電流重畳部３１２により検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の振幅を設定する際に、振幅を所定の割合で小さく設定する。また、二次電池１０の劣化により前回処理時の総容量推定値Ｃａｐ＾が低下している場合、あるいは、二次電池１０の温度が予め設定した閾値よりも低い場合においても、同様の傾向にあるため、同様に、振幅を所定の割合で小さく設定する。なお、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の振幅は、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）に基づく検出用電流を充電電流に重畳した場合に、二次電池１０に対する電流が放電方向とならないような範囲で設定することが望ましい。

ステップＳ４２では、検出用電流重畳部３１２により、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の送出を行い、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）に基づく検出用電流を、充電電流に重畳させる。この場合において、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の振幅としては、ステップＳ４１において設定した振幅を用いる。

ステップＳ４３では、電流検出部３２１により、電流計５０からの信号から二次電池１０の充放電電流Ｉを検出することで、電流計測値Ｉ（ｋ）の取得が行われ、取得された電流計測値Ｉ（ｋ）が、適応デジタルフィルタ演算部３２３および電流積算部３２４に送信される。また、電圧検出部３２２により、電圧計６０からの信号から二次電池１０の端子電圧Ｖを検出することで、電圧計測値Ｖ（ｋ）の取得が行われ、取得された電圧計測値Ｖ（ｋ）が、適応デジタルフィルタ演算部３２３に送信される。

ステップＳ４４では、適応デジタルフィルタ演算部３２３により、電流検出部３２１から送信された電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧検出部３２２から送信された電圧計測値Ｖ（ｋ）に基づき、上述した方法に従い、適応デジタルフィルタ演算により、二次電池１０の充電率の推定を行い、充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を算出する。

ステップＳ４５では、適応デジタルフィルタ演算部３２３により、ステップＳ４４における適応デジタルフィルタ演算による演算結果と、二次電池１０の実際の内部状態との差である同定誤差が収束し、かつ、同定誤差が収束してから所定時間経過しているか（すなわち、図７の時間Ｔ_６における状態となっているか）の判断がされる。同定誤差が収束し、かつ、同定誤差が収束してから所定時間経過していると判断された場合には、適応デジタルフィルタ演算部３２３は、ステップＳ４６に進み、検出表電流の重畳を終了し、これにより、充電率推定処理が終了する。そして、図８に示すステップＳ５に進む。一方、同定誤差が収束していないと判断された場合、または、同定誤差が収束しているものの、同定誤差が収束してから所定時間経過していな場合には、ステップＳ４３に戻り、電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧検出部３２２の取得、およびこれらに基づく、適応デジタルフィルタ演算を一定周期毎（本実施形態では、１００ｍｓｅｃ毎）に繰り返す。

ステップＳ５では、総容量演算部３２５が、ステップＳ４（ステップＳ４４）において算出された充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を取得し、取得した充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を「ＳＯＣ＾_Ａ」として記憶する。

ステップＳ６では、電流積算部３２４により、電流検出部３２１から送信された電流計測値Ｉ（ｋ）に基づき、電流積算値ＤＱ（ｋ）の積算を開始する。

ステップＳ７では、二次電池１０の充電率が十分上昇したか否かの判断が行われる。充電率が十分上昇したか否かの判断は、たとえば、充電電流設定部３１１により、基準充電電流設定値Ｉ_ｐ（ｋ）が変更された場合、すなわち、充電モードが移行した場合（たとえば、図５、図６に示す例において、時間Ｔ_２において、定電流充電から定電圧充電に移行した場合や、定電力充電から多段定電流充電に移行した場合）に、充電率が十分上昇したと判断することができる。あるいは、ステップＳ４４において、算出された充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）、および電流積算部３２４により積算された電流積算値ＤＱ（ｋ）に基づいて、二次電池１０の充電率の変化量を推定し、その結果に基づいて、充電率が十分上昇したか否かの判断を行うことができる。

二次電池１０の充電率が十分上昇したと判断された場合には、ステップＳ８に進み、二次電池１０近傍に設けられた温度センサ（不図示）により計測された二次電池１０の温度の検出が行われ、次いで、ステップＳ１０に進み、ステップＳ４と同様に、図９に示すフローチャートにしたがって、充電率推定処理（図９に示すステップＳ４１〜Ｓ４６）が行われる。

一方、ステップＳ９では、充電率が十分上昇していないと判断されたため、引き続き、電流検出部３２１により、電流計５０からの信号から二次電池１０の充放電電流Ｉの検出、電流計測値Ｉ（ｋ）の取得が行われ、電流計測値Ｉ（ｋ）が、電流積算部３２４に送信される。そして、ステップＳ７において、充電率が十分上昇したと判断されるまで、を一定周期毎（本実施形態では、１００ｍｓｅｃ毎）に、電流計測値Ｉ（ｋ）の取得および電流積算部３２４による電流積算値ＤＱ（ｋ）の積算が繰り返される。

ステップＳ１１では、総容量演算部３２５が、ステップＳ８（ステップＳ４４）において算出された充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を取得し、取得した充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を「ＳＯＣ＾_Ｂ」として記憶する。

ステップＳ１２では、電流積算部３２４により行われている電流積算値ＤＱ（ｋ）の積算を終了し、得られた電流積算値ＤＱ（ｋ）が、総容量演算部３２５に送信される。

ステップＳ１３では、総容量演算部３２５により、ステップＳ５において記憶した充電率推定値「ＳＯＣ＾_Ａ」、ステップＳ１０において記憶した充電率推定値「ＳＯＣ＾_Ｂ」、およびステップ１１において受信した電流積算値ＤＱ（ｋ）に基づいて、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出する。具体的には、電流積算値ＤＱ（ｋ）は、電流Ｉ（ｔ）を積分したものであるため、下記式（１９）にしたがって、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出する。

なお、上記式（１９）は、上述した式（３）において、それぞれ、「Ｃａｐ」を「Ｃａｐ＾」とし、「ＳＯＣ_１」を「ＳＯＣ_Ａ＾」、「ＳＯＣ_２」を「ＳＯＣ_Ｂ＾」に置換することにより得られる式である。
本実施形態では、以上のようにして二次電池１０の総容量Ｃａｐの推定が行われる。

図１０に、電池モデルを用いたシミュレーションにより、本実施形態の効果を検証した結果を示す。ここで、図１０に示すシミュレーションにおいては、電流計測値Ｉ（ｋ）と電圧計測値Ｖ（ｋ）に観測ノイズおよび量子化誤差を設定した。また、図１０に示すシミュレーションにおいては、それぞれ、０秒付近、および２５００秒付近に、検出用電流パターンの重畳および適応デジタルフィルタ演算の実行を行った場合におけるシミュレーション結果を示した。なお、図１０においては、上から電流の変化を示すプロファイル、電圧の変化を示すプロファイル、および充電率ＳＯＣの推定値と充電率ＳＯＣの真値とを、それぞれ示した。

図１０に示すように、充電電流に、適応デジタルフィルタ演算に適した検出用電流を重畳することで、二次電池１０に対する充電を継続しながら、適応デジタルフィルタ演算により、充電率の推定値を、真値に近いものとすることができるものである。そのため、本実施形態によれば、このような検出用電流重畳時における、適応デジタルフィルタ演算により得られた充電率の推定値を用いて、上述の式（３）、式（１９）に従って、二次電池１０の総容量を推定することにより、二次電池１０に対する充電を継続しながら、二次電池１０の総容量を高い精度で推定することができる。

また、本実施形態によれば、適応デジタルフィルタ演算により、二次電池１０の充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）を算出し、これに基づいて、二次電池１０の総容量を推定するものであるため、二次電池１０の総容量を推定する際に、二次電池１０の開路電圧を直接測定する必要がなく、そのため、開路電圧を直接測定する場合と比較して、総容量を推定するために必要となる時間を短いものとすることができる。特に、従来においては、二次電池の総容量を推定する際に、開路電圧を直接測定するために、二次電池を充放電を行っていない休止状態とし、かつ、この休止状態を所定時間以上継続する必要があり、そのため、総容量を推定するために必要となる時間が長くなってしまうという問題があったが、本実施形態は、このような問題を有効に解決するものである。

《第２実施形態》
次いで、本発明の第２実施形態について、説明する。
第２実施形態においては、電子制御ユニット３０が、図１１に示すような機能ブロック図で示される構成を有し、以下に説明するように機能する以外は、第１実施形態と同様である。

図１１に示すように、第２実施形態に係る電子制御ユニット３０は、第１実施形態と同様に、電源４０から二次電池１０へ供給する充電電流を制御する充電電流制御部３１０と、電流計５０および電圧計６０から信号に基づいて、二次電池１０の総容量を推定する総容量推定部３２０ａと、を備える。

充電電流制御部３１０は、第１実施形態と同様に、充電電流設定部３１１と、検出用電流重畳部３１２と、を備え、これらは第１実施形態と同様に機能する。

総容量推定部３２０は、電流検出部３２１と、電圧検出部３２２と、適応デジタルフィルタ演算部３２３と、総容量演算部３２５ａと、を備える。電流検出部３２１および電圧検出部３２２は、電流検出部３２１が電流計測値Ｉ（ｋ）を適応デジタルフィルタ演算部３２３ａのみに送信する以外は、第１実施形態と同様に機能する。適応デジタルフィルタ演算部３２３ａは、適応デジタルフィルタ演算により算出した充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）に加え、パラメータｄの推定値であるパラメータ推定値ｄ＾を、総容量演算部３２５ａに送信する以外は、第１実施形態と同様に機能する。また、総容量演算部３２５ａは、充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）、およびパラメータ推定値ｄ＾に基づいて、二次電池１０の総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出する。

また、第２実施形態の電子制御ユニット３０では、第１実施形態と同様に、充電電流に、検出用電流重畳部３１２により検出用電流パターンＤＩ（ｋ）を重畳し、検出用電流パターンＤＩ（ｋ）が重畳されたときにおける、電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧計測値Ｖ（ｋ）から、適応デジタルフィルタ演算部３２３により、適応デジタルフィルタ演算によって、二次電池１０の充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）およびパラメータ推定値ｄ＾を算出し、これらに基づき、総容量演算部３２５ａにより、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出するものである。

ここで、第２実施形態における、総容量演算部３２５ａによる総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の推定方法について、説明する。まず、上述した式（７）を時間領域で書き書き直し、これを二次電池１０の総容量Ｃａｐで割ると、下記式（２０）となる。

上記式（２０）の右辺において、総容量Ｃａｐに対する電流積算値の比は、充電率の変化量ΔＳＯＣに相当するため、下記式（２１）の関係が成り立ち、下記式（２１）を基づき、上記式（２０）は、下記式（２２）と表すことができる。

そして、上記式（２２）より、総容量推定値Ｃａｐ＾は、充電率ＳＯＣに対する開路電圧Ｖ_０の傾きと、パラメータ推定値ｄ＾とを用いて、下記式（２３）で求めることができる。また、下記式（２３）と等価な下記式（２４）で求めることも可能である。

次いで、第２実施形態の電子制御ユニット３０によって行われる総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）の算出処理を、図１２に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図１２に示す処理は一定周期毎（本実施形態では、１００ｍｓｅｃ毎）に実施される。また、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、図１２に示す処理は、二次電池１０を搭載した車両を充電設備２０に接続され、充電電流設定部３１１により設定された基準充電電流設定値Ｉ_Ｒ（ｋ）に基づいて、電源４０から二次電池１０への充電電流の供給が開始されることにより開始する。

まず、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３では、第１実施形態におけるステップＳ１〜Ｓ３と同様に、充電開始時における、充電電流を供給する前の二次電池１０の充電率の推定、前回処理時に推定した総容量推定値Ｃａｐ＾の読み出し、二次電池１０の温度の検出が行われる。

次いで、ステップＳ１０４では、充電率推定処理が行われる。第２実施形態における充電率推定処理は、第１実施形態と同様に、図９に示すフローチャートにしたがって、行われる。すなわち、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３において取得した充電開始時における二次電池１０の充電率、前回処理時の総容量推定値Ｃａｐ＾、および二次電池１０の温度に基づいて、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）の振幅の設定（ステップＳ４１）、検出用電流パターンＩ_Ｒ（ｋ）に基づく検出用電流の重畳の開始（ステップＳ４２）、電流計測値Ｉ（ｋ）および電流計測値Ｉ（ｋ）の取得（ステップＳ４３）、適応デジタルフィルタ演算による充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）の推定（ステップＳ４４）、同定誤差の収束判定（ステップＳ４５）、および検出用電流の重畳の終了(ステップＳ４６)が行われる。

次いで、ステップＳ１０５では、総容量演算部３２５ａが、ステップＳ１０４（ステップＳ４４）において算出された充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）、およびパラメータ推定値ｄ＾を取得し、これら充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）、およびパラメータ推定値ｄ＾に基づいて、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出する。具体的には、総容量演算部３２５ａは、上記式（２３）または（２４）を用いて、総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）を算出する。
第２実施形態では、以上のようにして二次電池１０の総容量Ｃａｐの推定が行われる。

図１３に、電池モデルを用いたシミュレーションにより、本実施形態の効果を検証した結果を示す。ここで、図１３に示すシミュレーションにおいては、電流計測値Ｉ（ｋ）と電圧計測値Ｖ（ｋ）に観測ノイズおよび量子化誤差を設定、電流計測値Ｉ（ｋ）にはさらに＋３[Ａ]の計測オフセットを設定した。また、図１３に示すシミュレーションにおいては、０秒付近に、検出用電流パターンの重畳および適応デジタルフィルタ演算の実行を行った場合におけるシミュレーション結果を示した。なお、図１３においては、上から電流の変化を示すプロファイル、電圧の変化を示すプロファイル、パラメータｄの推定値および真値、ならびに充電率ＳＯＣの推定値および真値を、それぞれ示した。

図１０に示すように、充電電流に、検出用電流パターンを重畳することで、二次電池１０に対する充電を継続しながら、適応デジタルフィルタ演算により、充電率の推定値を、真値に近いものとすることができるものである。そのため、第２実施形態によれば、このような検出用電流パターン重畳時における、適応デジタルフィルタ演算により得られた充電率の推定値を用いて、上述の式（２３）または（２４）に従って、二次電池１０の総容量を推定することにより、総容量を高い精度で推定することができる。しかも、第２実施形態によれば、充電設備２０による充電開始直後に、二次電池１０の総容量の推定が終了するため、推定された総容量に基づいて、充電設備２０による充電電流の設定が可能となり、これを用いて急速充電することも可能である。なお、このような急速充電は、たとえば、充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）および総容量推定値Ｃａｐ＾（ｋ）に基づいて、二次電池１０を満充電状態とするために必要な電気量を算出し、算出した電気量に基づいて、急速充電を行うための電流値を決定することにより行うことができる。

また、第２実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様に、適応デジタルフィルタ演算により、二次電池１０の充電率推定値ＳＯＣ＾（ｋ）、ｄ＾を算出し、これに基づいて、二次電池１０の総容量を推定するものであるため、二次電池１０の総容量を推定する際に、二次電池１０の開路電圧を直接測定する必要がなく、そのため、開路電圧を直接測定する場合と比較して、総容量を推定するために必要となる時間を短いものとすることができる。特に、従来において、総容量を推定するために必要となる時間が長くなってしまうという問題があったが、第２実施形態においても、このような問題を有効に解決することができる。

なお、上述した実施形態において、充電電流設定部３１１は本発明の充電制御手段に、検出用電流重畳部は本発明の検出用電流重畳手段に、電流検出部３２１および電圧検出部３２２は本発明の検出手段に、適応デジタルフィルタ演算部３２３は本発明の充電率推定手段、総容量演算部は本発明の容量推定手段に、それぞれ相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

たとえば、上述の実施形態においては、電子制御ユニット３０、電源４０、電流計５０、および電圧計６０が、充電設備２０に備えられている場合を例示したが、これらのうち一部あるいは全てが、二次電池１０を搭載する車両に備えられているような構成としてもよい。

１０…二次電池
２０…充電設備
３０…電子制御ユニット
３１０…充電電流制御部
３１１…充電電流設定部
３１２…検出用電流重畳部
３２０，３２０ａ…総容量推定部
３２１…電流検出部
３２２…電圧検出部
３２３…適応デジタルフィルタ演算部
３２４…電流積算部
３２５，３２５ａ…総容量演算部
４０…電源
５０…電流計
６０…電圧計

Claims (7)

1. 二次電池に充電電流を供給する充電制御手段と、
   前記充電制御手段により前記二次電池に供給される充電電流に、所定パターンの検出用電流を重畳させる検出用電流重畳手段と、
   前記二次電池の電流および端子電圧をそれぞれ検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記電流および端子電圧の計測値から、適応デジタルフィルタを用いて、前記二次電池の開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて、前記推定された開路電圧から、前記二次電池の充電率を推定する充電率推定手段と、
   前記充電率推定手段により推定された充電率に基づいて、前記二次電池の総容量を推定する容量推定手段と、を備え、
   前記検出用電流重畳手段は、前記検出用電流の振幅を、充電開始時における前記二次電池の充電率、前記二次電池の温度、および前記容量推定手段により推定された前記二次電池の総容量の前回値から選択される少なくとも１つに基づいて設定し、
   前記充電率推定手段は、前記検出用電流重畳手段により前記検出用電流が重畳された際における電流および端子電圧の計測値を用いて、前記充電率の推定を行うことを特徴とする二次電池の容量推定装置。
2. 前記検出用電流は、異なる周波数を有する複数の交流電流を重ね合わせてなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の容量推定装置。
3. 前記検出用電流重畳手段は、前記充電制御手段による前記二次電池への充電電流の供給開始時Ｔ_Ａ、および前記二次電池への充電電流の供給開始時から所定時間経過後Ｔ_Ｂにおいて、前記充電電流に前記検出用電流を重畳させることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池の容量推定装置。
4. 前記充電電流の供給開始時Ｔ_Ａにおいて検出された電流および端子電圧の計測値を用いて、推定された充電率をＳＯＣ_Ａ＾とし、
   前記充電電流の供給開始時から所定時間経過後Ｔ_Ｂにおいて検出された電流および端子電圧の計測値を用いて、推定された充電率をＳＯＣ_Ｂ＾とし、
   前記充電電流の供給開始時Ｔ_Ａから、前記充電電流の供給開始時から所定時間経過後Ｔ_Ｂの間の各時間において、前記検出手段により検出された電流の計測値をＩ（ｔ）とした場合に、
   前記容量推定手段は、下記式（I）に従って、前記二次電池の総容量の推定値であるＣａｐ＾を推定することを特徴とする請求項３に記載の二次電池の容量推定装置。
   

   

   ただし、ＳＯＣ_Ａ＾、ＳＯＣ_Ｂ＾、Ｃａｐ＾において、「＾」は推定値を意味する。
5. 前記検出用電流重畳手段は、前記充電制御手段による前記二次電池への充電電流の供給中における任意の時Ｔ_ｃにおいて、前記充電電流に前記検出用電流を重畳させ、
   前記充電率推定手段は、前記充電電流の供給中における任意の時Ｔ_ｃにおいて検出された電流および端子電圧の計測値を用いて、前記二次電池の充電率の推定値であるＳＯＣ＾およびパラメータｄの推定値であるｄ＾を推定し、
   前記容量推定手段は、前記充電率の推定値ＳＯＣ＾およびパラメータｄの推定値ｄ＾に基づき、下記式（II）にしたがって、前記二次電池の総容量の推定値であるＣａｐ＾を推定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池の容量推定装置。
   

   

   ただし、ＳＯＣ＾、ｄ＾、Ｃａｐ＾において、「＾」は推定値を意味する。
   また、パラメータｄは、下記式（III）を満足する変数である。
   

   

   上記式（III）中、Ｖ_０は開路電圧、Ｉは電流の計測値、ｓは微分オペレータである。
6. 前記充電制御手段は、前記充電率推定手段により推定された充電率と、前記容量推定手段により推定された総容量とに基づいて、前記二次電池を満充電にするために必要な電気量を算出し、算出した電気量に基づいて、充電電流の制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池の容量推定装置。
7. 前記検出用電流重畳手段は、前記検出用電流の重畳開始した後、前記充電率推定手段による適応デジタルフィルタを用いた演算結果の同定誤差が、収束したと判断された時から所定時間経過後に、前記検出用電流の重畳を終了することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池の容量推定装置。

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